DE102011087675A1

DE102011087675A1 - Kühlsystem zur aktiven Kühlung eines Abgassystems

Info

Publication number: DE102011087675A1
Application number: DE102011087675A
Authority: DE
Inventors: Bernd Helferich
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-06-06
Also published as: EP2785993B1; EP2785993A1; WO2013079523A1; US20150128578A1

Abstract

Kühlsystem (10) zur aktiven Kühlung eines Abgassystems (12), umfassend ein Abgasrohr (14) zur Ableitung eines Abgasstroms (22) einer Verbrennungskraftmaschine (16) und ein Luftführungselement (18), das gegenüber dem Abgasrohr (14) unter Bildung eines Luftführungskanals (20) angeordnet ist, um durch Einleiten eines Luftstroms (24) in den Luftführungskanal (20) das Abgasrohr (14) zu kühlen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zur aktiven Kühlung eines Abgassystems, umfassend ein Abgasrohr zur Ableitung eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine und ein Luftführungselement, das gegenüber dem Abgasrohr unter Bildung eines Luftführungskanals angeordnet ist, um durch Zuführen eines Luftstroms in den Luftführungskanal das Abgasrohr zu kühlen.
Infolge der heutigen Abgasgesetzgebung werden in Verbrennungskraftanordnungen Abgasnachbehandlungssysteme zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes eingesetzt. Die Verbrennungskraftmaschinen in diesen Anordnungen können beispielsweise nach dem Dieselprinzip arbeiten. In bestimmten Betriebszuständen können die Abgase dieser Verbrennungskraftmaschinen hohe Temperaturen erreichen. So können die Abgasnachbehandlungssysteme beispielsweise einen Dieselpartikelfilter (DPF) zur Filterung des Rußpartikelausstoßes der Verbrennungskraftmaschine enthalten. Hierbei lagern sich die Rußpartikel in der porösen Filterwand des DPF ab, so dass der Abgasgegendruck mit zunehmendem Zusetzungsgrad des DPF ansteigt. Zur Regeneration des DPF werden in regelmäßigen Zeitabständen die abgelagerten Rußpartikel verbrannt, so dass der Zusetzungsgrad wieder abnimmt. Hierzu wird durch entsprechende Maßnahmen die Temperatur des Motorabgasstroms zeitweise auf Temperaturen von regelmäßig über 600°C erhöht. Hierbei können an dem Abgasrohr des Abgassystems entsprechend hohe Oberflächentemperaturen auftreten. Ist das Abgasrohr beispielsweise Teil eines Abgassystems einer landwirtschaftlichen Maschine, ist es in der Regel so angeordnet, dass eine Bedienperson der Maschine mit dem Abgasrohr in Berührung kommen könnte, was bei derart hohen Oberflächentemperaturen zu Verbrennungen führen kann. Weiterhin könnte ein derart heißes Abgasrohr in einer unmittelbaren Umgebung, beispielsweise beim Parken der Maschine in einer Scheune, einen Brand auslösen. Schließlich kann auf dem heißen Abgasrohr abgelagerter Schmutz zu unkontrollierten Selbstentzündungen dieser Ablagerungen führen.
Aus der DE 1 027 084 ist ein ummanteltes Abgasrohr bekannt. Während des Fahrens nimmt geschwindigkeitsabhängig am Abgasrohr vorbeigeführte Frischluft zwischen dem Abgasrohr und der Ummantelung durch Konvektion vom Abgasrohr abgegebene Wärme auf und führt sie ins Freie.
Eine derartige Anordnung, die als passives Kühlsystem bezeichnet werden kann, kann insbesondere für in der Regel langsam fahrende oder im Stationärbetrieb bei Leistungsabgabe über die Zapfwelle (PTO) arbeitende landwirtschaftliche Maschinen, wie beispielsweise Traktoren, ungünstig sein, da mangels Fahrtwind eine ausreichende Kühlluftzufuhr nicht gegeben ist.
Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein von der Fahrgeschwindigkeit weitgehend unabhängiges Kühlsystem für ein Abgassystem bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlsystem zur aktiven Kühlung eines Abgassystems, umfassend ein Abgasrohr zur Ableitung eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine und ein Luftführungselement, das gegenüber dem Abgasrohr unter Bildung eines Luftführungskanals angeordnet ist, um durch Zuführen eines Luftstroms in den Luftführungskanal das Abgasrohr zu kühlen, wobei Gebläsemittel vorgesehen sind, die das Zuführen des Luftstroms in den Luftführungskanal bewirken.
Durch diese Anordnung wird in vorteilhafterweise sichergestellt, dass die Kühlleistung der aktiven Kühlung des Abgasrohrs zumindest weitestgehend von einer Fahrgeschwindigkeit unabhängig ist und lediglich von der Kühlleistung der Gebläsemittel abhängig ist. Hierdurch ist auch bei Feldarbeiten unter Last mit einer landwirtschaftlichen Maschine mit typischen Geschwindigkeiten von unter 10 km/h oder im Stationärbetrieb bei Leistungsabgabe über die Zapfwelle eine aktive Kühlung über einen Luftstrom, der mittels der Gebläsemittel in den Luftführungskanal eingeleitet wird, gewährleistet.
Bevorzugt verdichten die Gebläsemittel den Luftstrom auf ein gegenüber einem Umgebungsdruck erhöhtes Druckniveau. Hierdurch wird in vorteilhafterweise auch bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten gewährleistet, dass ein Druckgefälle genutzt werden kann, um den Luftstrom in den Luftführungskanal einzuleiten. Hierbei ist unter Umgebungsdruck der jeweils herrschende atmosphärische Luftdruck zu verstehen.
In bevorzugter Ausgestaltung führen die Gebläsemittel einen Kühlabluftstrom der Verbrennungskraftmaschine als Luftstrom dem Luftführungskanal zu. Von Vorteil ist, dass der in den Luftführungskanal eintretende Luftstrom bereits gefiltert ist, da dieser als Kühlabluftstrom der Verbrennungskraftmaschine bereits durch ein entsprechendes Filtersystem eines Kühlsystems der Verbrennungskraftmaschine geleitet wurde.
In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung weist das Luftführungselement eine Lufteintrittsöffnung zu dem Luftführungskanal auf, wobei der Luftführungskanal über die Lufteintrittsöffnung mit einem Motorraum der Verbrennungskraftmaschine zum Zuführen des Kühlabluftstroms verbunden ist. Durch den Motorraum wird gewährleistet, dass sich ein erhöhtes Druckniveau einstellen kann, welches dann den Kühlabluftstrom durch die Lufteintrittsöffnung in den Luftführungskanal übertreten lässt. Bei dem Motorraum handelt es sich um eine Einhausung der Verbrennungskraftmaschine, wobei die Einhausung aus einer Motorhaube und einem oder mehreren Verkleidungsteilen bestehen kann, wozu auch die Spritzwand einer Fahrerkabine zählen kann. Der Motorraum ist bis auf eine Luftzuführöffnung zu dem Lüfteraggregat und eine mit der Lufteintrittsöffnung des Luftführungskanals korrespondierende Luftaustrittsöffnung weitestgehend luftdicht gekapselt.
Bevorzugt umfassen die Gebläsemittel ein Lüfteraggregat eines Kühlkreislaufs Verbrennungskraftmaschine. Da ein Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine regelmäßig einen Lüfteraggregat aufweist, kann in vorteilhafterweise durch bereits vorhandene Mittel, nämlich das Lüfteraggregat in Form eines mechanisch oder elektrisch angetriebenen Kühlventilators, das erhöhte Druckniveau beziehungsweise das Druckgefälle in Richtung des Abgassystems erzeugt werden.
In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung weist das Luftführungselement zumindest zwei Austrittsöffnungen für den Luftführungskanal auf, wobei die erste Austrittsöffnung im Bereich einer Mündungsöffnung des Abgasrohrs angeordnet ist und die zweite Austrittsöffnung stromaufwärts zu der Mündungsöffnung angeordnet ist. Durch die zweite Austrittsöffnung wird in vorteilhafterweise ein zu hoher Gegendruck in dem Luftführungskanal vermieden.
Bevorzugt weist das Abgasrohr eine Venturidüsen-Anordnung zur Ansaugung von Luft, die das Abgasrohr umgibt, auf, wobei das Luftführungselement stromabwärts der Venturidüsen-Anordnung einen Ringspalt ausbildet. Hierdurch wird in vorteilhafterweise sichergestellt, dass über die Venturi-Düse im Abgasrohr Kühlluft dem Abgas zugeführt wird, wodurch die hohen Abgastemperaturen während einer Regeneration des DPF gesenkt werden, um der Entstehung unerwünschter Stickoxide im Abgasrohr infolge der hohen Temperaturen entgegenzuwirken.
Bevorzugt ist der Ringspalt zwischen zwei Austrittsöffnungen des Luftführungselements angeordnet. Hierdurch wird gewährleistet, dass über die zweite Austrittsöffnung ein eventuell bestehender Überdruck zu einem gewissen Teil abgebaut wird, so dass über den Ringspalt keine Kühlluft abgeblasen wird, sondern über den Kamineffekt, welcher sich stromabwärts des Ringspalts einstellt, weitere Kühlluft von Außen angesaugt wird.
Bevorzugt ist der Ringspalt als Venturidüsen-Anordnung ausgebildet, zur Ansaugung von Umgebungsluft in den Luftführungskanal. Hierbei kann die Venturidüsen-Anordnung in Kombination mit dem Kamineffekt, der sich stromabwärts in dem Abgasrohr einstellt, dazu genutzt werden, Umgebungsluft zur Unterstützung der Kühlung einzusaugen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Hierin zeigen
1 eine perspektivische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Kühlsystems zur aktiven Kühlung eines Abgassystems und
2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kühlsystem zur aktiven Kühlung eines Abgassystems.
Die 1 zeigt ausschnittsweise ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug 48 in Form eines Traktors mit einer Kabine 50, einem Rahmen 52 und einer nur angedeuteten Verbrennungskraftmaschine 16 mit einem Abgassystem 12 zur Ableitung eines Abgasstroms 22. Die Verbrennungskraftmaschine 16 ist in herkömmlicher Weise innerhalb eines Motorraums 34 angeordnet. Das Abgassystem 16 umfasst einen in seiner Position nur angedeuteten Rußpartikelfilter 52, ein Abgasrohr 14 und ein Luftführungselement 18, welches das Abgasrohr 14 unter Bildung eines Luftführungskanals 20 umschließt. Das Abgassystem 12 kann weitere, nicht dargestellte Komponenten wie beispielsweise einen oder mehrere Katalysator umfassen.
Die Verbrennungskraftmaschine 16 verfügt in herkömmlicher Weise über einen ebenfalls nur angedeuteten Flüssigkeitskühlkreislauf 30 mit einem Hochtemperaturwärmetauscher, der mittels eines Lüfteraggregats 28 mit Kühlluft beaufschlagt wird, die über einen Kühlergrill und nachgeordnete Filtereinschübe aus der Umgebung angesaugt wird. Durch die Filtereinschübe ist die in den Motorraum 34 geleitete Kühlluft weitgehend von Verunreinigungen befreit. Die durch das Lüfteraggregat 28 hervorgerufene Verdichtung der Kühlluft führt zu einem gegenüber dem atmosphärischen Umgebungsdruck erhöhten Druckniveau der Kühlluft im Motorraum 34. Die durch den Hochtemperaturwärmetauscher und den Motorraum 34 geleitete Kühlluft wird als Kühlabluftstrom 26 zur aktiven Kühlung des Abgassystems 12 in den Luftführungskanal 20, der durch das als Ummantelung gegenüber dem Abgasrohr 14 angeordnete Luftführungselement 18 gebildet wird, eingeleitet.
Zur Kühlung des Abgasstroms 22 stromabwärts des Rußpartikelfilters 52 weist das Abgasrohr 14 eine Venturidüsen-Anordnung 42 auf, wie dies in 2 zu erkennen ist. Die Venturidüsen-Anordnung 42 wird gebildet, indem das Abgasrohr 14 zweiteilig gestaltet ist und das stromaufwärts angeordnete Abgasrohrelement 54 einen Mündungsbereich 56 ausbildet, der sich düsenförmige in das offene Ende 58 des stromabwärts angeordnete Abgasrohrelement 60 des Abgasrohrs 14 erstreckt. Die Venturidüsen-Anordnung 42 weist im Wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt auf. Durch das Venturiprinzip wird ein Unterdruck erzeugt, durch den Luft aus dem Luftführungskanal 20 in das Abgasrohr 14 gesaugt wird, um den Abgasstrom 22 zu kühlen.
Das Luftführungselement 18 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vierteilig gestaltet, bestehend aus einer motorseitigen Schutzabdeckung 62, einer zwei Abdeckschalen 64, 64' umfassende horizontalen Schutzabdeckung 66 und einer vertikalen Schutzabdeckung 68. Die Anzahl der Teile, aus denen das Luftführungselement gebildet wird, kann bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen variieren.
Das Luftführungselement 18 umschließt das Abgasrohr 14 und bildet somit mit dem Abgasrohr 14 einen Luftführungskanal 20. Der Luftführungskanal 20 ist über eine Lufteintrittsöffnung 32 mit dem Motorraum 34 verbunden. Die Lufteintrittsöffnung 32 wird gebildet, indem zwischen dem Abgasrohr 14 und der seitlichen Motorabdeckung 70 ein Luftspalt 72 ausgebildet ist, welcher gegenüber der Umgebung mit der vertikalen Schutzabdeckung 66, die halbschalenförmig ausgebildet ist, abgedeckt ist. Die zwei Abdeckschalen 64, 64' der horizontalen Schutzabdeckung 66 bilden im zusammengesetzten Zustand die zweite Austrittsöffnung 38 aus, die nach unten zum Boden gerichtet ist und auf dem stromabwärtigen Ende der Schutzabdeckung 66 angeordnet ist. Dadurch, dass die zweite Austrittsöffnung 38 nach unten gerichtet ist, wird sowohl der Schall als auch den warmen Kühlabluftstrom nach unten in Richtung Boden abgeführt.
Der Übergangsbereich von der horizontalen Schutzabdeckung 66 zu der vertikalen Schutzabdeckung 68 bildet einen Ringspalt 44 aus. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Ringspalt 44 als Venturidüsen-Anordnung 46 ausgeführt. Hierbei weist die horizontale Schutzabdeckung 66 einen sich stromabwärts verjüngenden Mündungsbereich 74 auf, der düsenförmig in das offene Ende 76 der vertikalen Schutzabdeckung 68 hineinragt. Hierdurch wird zwischen dem Mündungsbereich 74 und dem offenen Ende 76 ein Ansaugbereich gebildet, in welchem nach dem Venturi-Prinzip bei Hindurchtreten eines Kühlabluftstroms durch den Luftführungskanal 20 ein Unterdruck gegenüber der Umgebung erzeugt wird, so dass Umgebungsluft in den Luftführungskanal 20 angesaugt wird. Über die Austrittsöffnung 36 im Bereich der Mündungsöffnung 40 des Abgasrohrs 14 tritt der Kühlabluftstrom in die Umgebung.
Weiterhin kann im Bereich des Ringspalts 44 beziehungsweise in dem Ansaugbereich der Venturidüsen-Anordnung 46 ein nicht näher dargestelltes Filterelement, beispielsweise in Form eines Lochgitters, vorgesehen sein, um vor allem gröbere Verunreinigungen zurückzuhalten und ein Zusetzen des Luftführungskanals 20 zu verhindern.
Somit dient das Luftführungselement 18 sowohl als Berührungsschutz für ein heißes Abgasrohr 14, in dem es dieses vollständig ummantelt, als auch der Bildung eines Luftführungskanals 20 um das Abgasrohr 14, über den ein aktiv eingeleiteter Luftstrom eine Kühlung gewährleistet.
Bezugszeichenliste

10: Kühlsystem
12: Abgassystem
14: Abgasrohr
16: Verbrennungskraftmaschine
18: Luftführungselement
20: Luftführungskanal
22: Abgasstrom
24: Luftstrom
26: Kühlabluftstrom
28: Lüfteraggregat
30: Kühlkreislauf
32: Lufteintrittsöffnung
34: Motorraum
36: Austrittsöffnung
38: Austrittsöffnung
40: Mündungsöffnung
42: Venturidüsen-Anordnung
44: Ringspalt
46: Venturidüsen-Anordnung
48: landwirtschaftliches Nutzfahrzeug
50: Kabine
52: Rußpartikelfilter
54: Abgasrohrelement
56: Mündungsbereich
58: offene Ende
60: Abgasrohrelement
62: Schutzabdeckung
64, 64': Abdeckschale
66: Schutzabdeckung
68: Schutzabdeckung
70: Motorabdeckung
72: Luftspalt
74: Mündungsbereich
76: offene Ende

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1027084 [0003]

Claims

Kühlsystem (10) zur aktiven Kühlung eines Abgassystems (12), umfassend ein Abgasrohr (14) zur Ableitung eines Abgasstroms (22) einer Verbrennungskraftmaschine (16) und ein Luftführungselement (18), das gegenüber dem Abgasrohr (14) unter Bildung eines Luftführungskanals (20) angeordnet ist, um durch Zuführen eines Luftstroms (24) in den Luftführungskanal (20) das Abgasrohr (14) zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, dass Gebläsemittel (28) vorgesehen sind, die die Zuführung des Luftstroms (24) in den Luftführungskanal (20) bewirken.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläsemittel (28) den Luftstrom (24) auf ein gegenüber einem Umgebungsdruck erhöhtes Druckniveau verdichten.
Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläsemittel einen Kühlabluftstrom (26) der Verbrennungskraftmaschine (16) als Luftstrom (24) dem Luftführungskanal (20) zuführen.
Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftführungselement (18) eine Lufteintrittsöffnung (32) zu dem Luftführungskanal (20) aufweist, wobei der Luftführungskanal (20) über die Lufteintrittsöffnung (32) mit einem Motorraum (34) der Verbrennungskraftmaschine (16) zum Zuführen des Kühlabluftstroms (26) verbunden ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die Gebläsemittel (28) ein Lüfteraggregat eines Kühlkreislaufs (30) der Verbrennungskraftmaschine (16) umfassen.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftführungselement (18) zumindest zwei Austrittsöffnungen (36, 38) für den Luftführungskanal (20) aufweist, wobei eine der Austrittsöffnungen (36, 38) stromaufwärts zu einem Mündungsbereich (56) des Abgasrohrs (14) angeordnet ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr (14) eine Venturidüsen-Anordnung (42) zur Ansaugung von Luft, die das Abgasrohr (14) umgibt, aufweist, wobei das Luftführungselement (18) stromabwärts der Venturidüsen-Anordnung (42) einen Ringspalt (44) ausbildet.
Kühlsystem nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringspalt (44) zwischen zwei Austrittsöffnungen (36, 38) des Luftführungselements (18) angeordnet ist.
Kühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt als Venturidüsen-Anordnung (46) ausgebildet ist, zur Ansaugung von Umgebungsluft in den Luftführungskanal (20).